一种嵌入式Linux平台的软硬件设计

1 操作系统uClinux

Linux是一种很受欢迎的类UNIX操作系统，它免费并开放源代码，在个人计算机、服务器领域应用广泛。更重要的是，Linux采用模块化设计，实际应用中可以定制，因此Linux也适用于嵌入式领域。uClinux正是Linux的一个嵌入式版本，其内核的二进制映像文件可以做到小于512KB。

uClinux针对无内存管理单元MMU(Memory Management Unit)的处理器设计，支持多任务，具有完备的TCP/IP协议栈并支持多种网络协议。uClinux还支持多种文件系统，如ROMFS、NFS、FAT16/32。实际上，uClinux已经成功应用于路由器、网络摄像机、机顶盒、PDA等诸多领域。


另外，uClinux可移植性很强，用户通过重新配置、编译内核，很方便将其移植到68K、Dragon Ball、ColdFire、Power PC、ARM等多种处理器计算平台。当前uClinux提供2.0和2.4两个内核版本。从内核版本2.2开始，Linux被设计成与IEEE POSIX标准兼容的系统，这意味着大部分已有的UNIX程序，源代码不经修改就可以进行编译并移植到新的目标平台。笔者选择了2.4内核的uClinux作为平台操作系统。

2 硬件平台设计

2.1 处理器

目标平台CPU采用Motorola公司生产的ColdFire嵌入式处理器MCF5272。MCF5272采用ColdFfireV2可变长RISC处理器核和DigitalDNA技术，在66MHz时钟下能够达到63MIPS@Dhrystone2.1的优良处理能力。其内部SIM(System Integrated Module)单元集成了丰富的通用模块，如10/100Mbps快速以太网控制器、USB1.1接口等，并且能够与常用的外围设备(如SDRAM、ISDN收发器)实现无缝连接，从而简化了外围电路设计，降低了产品成本、体积和功耗。

2.2 系统内存

系统内存由三部分组成。MCF5272内部集成了4K字节的SRAM(静态RAM)以及片外扩展的FLASH(闪烁存储器)和SDRAM(同步动态RAM)。FLASH容量为1M×16Bit，AMD29LV系列，片选信号为CS0，用于存放矢量表、uClinux内核映像及ROMFS文件系统。SDRAM采用两片HY系列4M×16Bit的SDRAM，共同组成16M、32位宽的系统主存储器。SDRAM片选信号为CS7。

2.3 通用外设

MCF5272内部集成了UART、USB控制器，只需很少的外围芯片就可以实现两个RS232串口和一个USB Slave接口。MCF5272还内嵌一个FEC(快速以太网控制器)，片外扩展一片LXT971，可方便地实现了一个100/10 Base T的以太网接口。

2.4 调试接口

ColdFire系列处理器支持背景调试模式(BDM)，它提供了对底层硬件的调试手段。在背景调试模式下，通过向CPU发送命令，可以实现对CPU寄存器、系统存储器的访问。使用Motorola推荐的26针插座接到BDM仿真头，实现代码的下载和调试。

3 移植uClinux到目标平台

3.1 uClinux的启动过程

uClinux的启动通常经历三个阶段。首先，它必须完成CPU和存储器的硬件初始化。在系统RAM中建立程序堆栈和数据段(包括DATA和BSS数据段)，建立程序的运行时环境。如果ROMFS是RAM驻留的，也必须对其进行初始化。

最初的初始化完成后，uClinux内核就取得了CPU的控制权，开始操作系统自身的初始化。这包括建立RAM中断矢量表、加载设备驱动程序、内存管理模块等。这一切完成后，uClinux启动一个最初的init线程，进入到第三阶段。这时候内核已经正常运行，外围模块也都就绪，开始执行一些脚本文件(如/etc/rc脚本文件)。这通常是嵌入式开发者最感兴趣的一个切入点。

3.2 编写硬件相关代码

作为源代码公开的免费操作系统，uClinux源代码可以从www.uclinux.org得到。这个源代码也在不断更新。笔者使用的是于2002年5月发布的Greg Ungerer(gerg@snapgear.com)版本。该版本的uClinux包含了对Motorola公司M5272C3和其他几款MCF5272评估板的支持。但与笔者的目标平台相比，硬件资源并不完全相同，且为RAM版本，并不能直接固化到ROM中。于是决定直接在M5272C3的基础上进行修改，以减少工作量。

需要添加三个文件：crt0_rom.S、sysinit.c和rom.ld。crt0_rom.S可以由crt0_ram.S修改得到，它提供一个ROM矢量表以供CPU上电时读取，并初始化CPU寄存器，设置程序堆栈，并最终跳转到uClinux内核。MEM_SIZE也必须修改为实际容量。




下面对MCF5272的UART、GPIO以及SIM单元进行初始化。Motorola网站提供了这样的例程(sysinit.c)。需要针对实际情况做必要的修改，主要就实际占用的片选资源CS0~CS7、SDRAM控制寄存器SDCR、SDTR作一些修改以适应目标板。以下的程序片段描述了对SDRAM的初始化。







由于代码在SDRAM中运行的速度比在FLASH中更快，而且在该目标平台中，SDRAM是32位数据总线，而FLASH是16位总线，因此代码在ROM中运行和在RAM中运行的速度有着显著差异。考虑到这些因素，采取将uClinux内核和ROMFS文件系统复制到SDRAM中运行的模式。这虽然会牺牲一些系统的启动速度，并导致一些额外的系统内存开销，但是换来的是系统整体性能的提高，因此是值得的。

uClinux会从内存中的某个位置加载ROMFS作为根文件系统。当ROMFS为RAM驻留时，缺省位置紧接着BSS段(参考drivers/block/blkmem，c)。ROMFS文件系统的二进制映像romfs.img在ROM中的实际存放地址可以根据rom.ld文件计算。由于BSS数据段存放的是未初始化的数据，直到运行时才建立，因此使用m68k-elf-objcopy生成的内核二进制映像文件linux.bin中并无BSS段。Romfs.img的起始地址应该是： ROM代码段结束地址+RAM代码段长度+DATA数据段长度；而复制的目标地址就是BSS段的结束地址，这是一个VMA地址，可以从rom.ld文件中直接获得。

3.3 修改启动脚本

在uClinux完成内核初始化后，由init(void *)内核线程调用/bin/init，然后执行/etc/rc脚本中的命令。可以利用这个脚本完成系统上电后的自动配置，或者运行用户程序。ROMFS文件系统中/etc/rc的源文件是/vendors/Generic/big/etc/rc。

一个典型的rc文件如下所示。它完成以太网的设置并执行用户程序/bin/usrapp。





3.4 内核的配置和编译

需要建立一个交叉编译环境来完成内核和应用程序的编译，生成ROMFS文件系统，并最终形成一个固化文件。www.uclinux.org也提供这样一个工具包。正确安装后，就可以进行编译了。首先进入源代码目录uClinux-dist，执行make xconfig，在弹出的对话框中选择"Target Platform Selection"。

由于直接对M5272C3评估板的代码进行修改，因此目标板选择M5272C3。内核版本号选择2.4，采用uC-libc库。另外选中"Customize Kernel Settings"以定制需要的内核。在内核配置对话框中，将RAM大小配置为16MB，确认ROMFS为RAM驻留。为了可以直接mount宿主机硬盘以方便调试，还需给内核添加对NFS文件系统的支持。

配置完毕后，在源代码目录执行"make dep"以及"make"，就得到了需要的二进制内核映像image.bin，可以直接下载到目标板运行。